上海申安医疗器械厂  LDZX-50KBS 压力蒸汽灭菌器 消毒锅
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高温蒸汽灭菌器温度压强测量系统

[导读]设计了一种使用超声波信号通信的高温蒸汽灭菌器温度压强测量系统。系统利用超声波信号在 刚体介质中的强穿透性穿透灭菌器金属壁。通过40kHz 与1MHz 两种频率信号代表不同数据位完成信息 的传递。系统以 STM32F103 为控制器,通过外围电路驱动超声波换能器激发超声波,从而使外部换能器 振动完成通信。

0 引 言 高压蒸汽灭菌器是一种灭菌消毒设备,通过排空灭菌 锅内空气,对锅体内水加热不断获得高温蒸汽,对细菌进行 杀灭作用的一种仪器[1]。药品制造、医用教学、细菌工业 中经常需要对目标器材进行消毒杀菌操作,而对灭菌效果 的判断还有一定局限性。传统灭菌效果的检测方法多靠工 人经验,BD 试纸或生物试剂通过颜色比对来笼统判断杀菌 效果,导致结果不准确且实时性低[1~2]。 灭菌器的杀菌效果依据灭菌器内的温度与压强的值进 行定量表征,因此,高精度压强与温度的测量对于灭菌器杀 菌效果的判断就显得尤为重要。 本文设计了一种高温蒸汽灭菌器温度压强测量系统,经测试,系统温度测量误差小于0. 1 ℃,压温测量误差小于0. 1 %FS。 

1 系统框架 高温蒸汽灭菌器为金属壁结构,由于电磁波在穿透金 属壁时受到金属壁上集肤效应的影响,电磁波大幅度衰减, 外部接收部分接收信号困难,使用传统射频信号难以实现 无线通信。 设计利用超声波在刚体介质中强穿透性的特点,克服 传统射频通信信号被金属壁屏蔽而通信效率降低,甚至信 号完全无法接收的缺点,完成了测量灭菌器内部温度压强 数据并以无线方式发送的功能[3, 4] 。 测量系统由信号测量发送与信号接收两部分组成。如图1 所示,信号测量部分工作使用独立电源供电,放置在灭 菌器内部,负责测量数据与驱动超声波换能器发送超声波。 信号使用 2FSK 调制,使用 40 kHz 与 1 MHz 换能器分别代 表符号“0”与符号“1”两种不同数据。 外部接收部分对发送的超声波信号采集并进行处理, 通过频率的判断,还原灭菌锅内部采集的数据,实现无线通 信,然后将数据通过串口发送给上位机,上位机将数据绘制 曲线并保存。

2 系统硬件设计 

2. 1 超声波驱动模块 超声波是一种频率超过20 kHz 的机械波,设计中超声 波产生原理是通过一定幅度的电压激励使换能器中的压电 芯片产生振动,激发超声波脉冲[5]。 为得到方便处理的超声波,激励脉冲应足够窄。设计 中采用40 kHz 与1 MHz 的换能器,发射脉冲周期应该为谐 振周期的50%,则发射脉宽度为12. 5,0. 5μs。脉冲幅度在 额定范围内尽可能大,以更好地激励超声波换能器产生穿 透能力更强的超声波[6, 7] 。 由上述可知,超声波换能器的驱动需要高压窄脉冲激 励,设计采用电容器瞬间放电法产生激励脉冲。高压直流 电源是由 PWM 控制器芯片 MAX668 加外围电路产生[8], 电路图如图2 所示。输出高压可由外部接入电阻器 R2,R3 调整,输出电压满足: Vref 为 1. 25 V,R3 阻值为 20 kΩ ~ 1 MΩ,其中, R2 = R3[ ( Vout /Vref) - 1],其中, Vout为放电电容 两端的电压,电感按照下式选择: Ldeal = Vout /( 4Iout × fosc) 。

换能器驱动电路,由 N 型沟道 MOS 管,限流电阻器 RC,放电电容器 C 与开关二极管 D1,D2 组成。当栅极为 低电平时 MOS 管截止,电路通过电阻器 RC、电容器 C1,D2 回路充电。当给栅极高电平导通时,电容通过 MOS 管,R2与 D1 对超声波换能器放电。换能器受到激励后会产生超 声波。换能器驱动电路如图3 所示。

Fig 3 Circuit of transducer driving 2. 2 温度压强测量模块 设计使用恒流源测量法,采用三线制铂电阻传感器,通 过硬件电路消除传感器的零度电阻,输出电压仅包含变化 阻值产生的电压,与环境温度的变换呈线性关系。选取参 考电阻器与温度传感器作为恒流源负载,电路如图4 所示。

Fig 4 Circuit of temperature signal conditioning 系统运行时,传感器电压在 U3 以单倍放大输出,在 U4 以双倍放大输出分别为: VAIN + = I( Rref + Rt) + Vos1, VAIN - = 2IRt +2VOS2。VOS1与 VOS2为放大器失调电压,AD 芯片转换 完毕后交换电流方向再一次测量,可以消除放大器的失调 与漂移产生的系统误差。为消除恒流源波动带来的系统误 差,单次电流方向测量时多次转换读取数据,将电流波动产 生的系统误差降到最小。选取电阻器时要求高精度匹配, 使用0. 1 %的精密电阻器完成电阻的选择。 2. 3 压强测量模块 压强测量使用压强传感器 MPS30H1000。传感器内部 为压阻结构,量程为0 ~1000 kPa,可在 -40 ~180 ℃温度内 工作,测量电路如图5 所示。传感器使用恒流源供电,恒流 源由芯片 LT3092 提供,调整 Rset与 Rout的比值来改变输出 电流,电流输出范围为 0. 5 ~ 200 mA,电流输出满足: Iout = ( 10 μA × Rset) /Rout。差分信号经过仪表放大器对差分信号 放大。传感器未施加压力时输出零点需自调整,在输出端 加入减法器,抵消放大器漂移与传感器零点漂移带来的系 统误差,将输出零点调整在合适位置,提供线性输出。

2. 4 发送与接收模块 本设计的发送模块与接收模块均采用意法半导体公司 生产的芯片 STM32F103 作为处理核心,该模块满足了系统 发送模块低功耗的实际要求,同时芯片的 USART 接口方便 接收模块与上位机的串口数据通信。芯片工作频率为 72 MHz,为整个系统提供了可靠的处理能力。 3 系统软件设计 3. 1 发送端与接收端软件设计 发送端软件主要包括数据测量、数据编码、数据发送。 接收端软件主要包括数据接收判断,数据误码处理。温度 测量过程中恒流源产生的电流存在一定程度的波动,为减 小电流源波动带来的误差,系统正向反向共进行20 次测 量,去除测量值的最大值与最小值后取剩余值的均值作为 测量数据。将数据加载在包含帧头帧尾的数组中,通过控 制超声波发送模块的硬件电路将数据发出。 3. 2 通信帧与误码校验算法设计 由于系统工作环境较复杂,因此,系统需要简明的帧设 计简化码字复杂程度,减小系统的功耗[9]。同时需要合理 数据校验算法对接收到的数据进行校验,帧设计结构如 图6所示。

Fig 6 Frame structure 帧头直接包含数据信息,以 2 只超声波探头独立发送 的信号为数据的开始,减小失码与误码对信息传输的影响。 其中以“000”作为压强信号的帧头信息,“111”作为温度信 号的帧头信息。系统探测的压强最大值为500. 0 kPa,以 “5000”作为最大传输数据,共需要 13 个数据位; 温度最大 值为150. 0 ℃,以“1500”作为最大传输数据,共需要 11 个 数据位。帧尾数据作为效验位结束,效验采用奇偶效验码, 为确保校验位的准确接收无误码,系统采取多位数据同时表示,“111”表示校验位“1”,“000”表示校验位“0”,校验 位有误码时判断所占位数最多的数据来确定校验位。 误码效验算法根据恒温箱内部温度与压强数据变化具 有连续性得出。系统每 6 s 传输一次数据,6 s 温度与压强 数据相邻的变化值 ΔT, Δp 不会剧烈变化。系统记录 1 min 内温度与压强值,并得出数据变化趋势,即记录系统最近 10 次的数据,与数据之间的变化量。系统共设置六种数据 变化趋势进行判断:1) 上升趋势;2) 下降趋势;3) 上升下降 趋势;4) 下降上升趋势;5) 平衡趋势;6) 无趋势。平衡趋势 指10 次相邻数据变化值用二进制表示在5 位以内,无趋势 表示变化值超过5 位,且正负变化频繁,无明显趋势。接收 到数据有误码后,从两个角度校准数据,变化值正负,变化 值大小。由于系统通信为单向通信,则产生误码时采取使 误差尽可能小的方式对码字进行修正,当校验位错误时,根 据数据变化趋势对接收码字修正一位数据,修正位为平均 变化量与当前变化量差值的最高位,与最高位左右2 位,最 后将得到的三个数据与前一次接收的数据相比较,选择最 接近平均变化量的修正数据。为消除连续误码对数据修正 产生连锁影响,每分钟结尾连续发送10 次数据。 4 系统测试 4. 1 系统数据测量标定 系统通过使用0. 01 Ω 高精度电阻箱代替传感器对系 统定标,通过修改电阻箱阻值来模拟待测温度点标称阻值, 经过系统测量得到系统定标数据如表1 所示,其中,测量温 度为在标称电阻设定的温度点测量20 次得到的平均值。 系统使用标准压力校验仪对传感器定标,校验仪精度 为0. 05 %FS。标准压力校验仪产生标称值,使用记录仪对 传感器输出电压多次测量取平均值,达到系统定标的作用, 定标测试数据如表2 所示。

由数据可以得到压力每变化 100 kPa 传感器差分输出 10. 1 mV,在零点时有 0. 2 mV 的偏移。通过减法器将被放 大器放大的传感器零点漂移电压与放大器失调电压引入的误差消除后,系统输出为线性。 4. 2 系统通信测试 由于恒温箱温度精度低,实时性较差,系统测试主要通 过使用不同加热速度对待测液体加热,用相同时间内平均 步进温度的改变来模拟环境的变化,测试系统的数据传输 能力,并保证实时记录测试数据。通过将温度探头与标准 温度计同时测量待测液体,并使待测液体均匀升温至沸腾, 模拟在高温蒸汽灭菌器内的加热效果,与数据变化效果。 通过9mm 钢板模拟高压蒸汽灭菌器金属锅壁,标准温度计 精度为0. 01 ℃。测量过程中,高精度温度计与系统温度探 头紧密接触,保证温度相同,通过数据可得知系统误码率不 超过2 % 。测试数据如表3。

5 结 论 

本文介绍了一种在高温蒸汽灭菌器内测量温度与压强数据,并将数据通过超声波信号传输的系统,该系统利用超 声波在刚体内的穿透特性传播数据,克服了传统无线传输 方法中电磁波难在金属密闭容器内进行数据传输的困难, 介绍了发送端与接收端电路的实现与软件数据处理算法, 利用该系统可以及时反馈恒温箱内部数据,有效提高灭菌 效率,有较好的应用价值。





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